Стойкость изделий и конструкций из высокопрочных бетонов к взрывообразному разрушению
Стойкость изделий и конструкций из высокопрочных бетонов к взрывообразному разрушению
Ключевые слова: высокопрочный бетон, взрывообразное разрушение, давление пара, поровая структура, огнестойкость, целостность, условия пожара пожарная безопасность.
![Рис. 1. Последствия взрывообразного разрушения бетона: а — наружная стена здания, источник огня - воспламенившийся трактор; b — огневое взрывообразное разрушение бетонной крыши гаража, источник огня — горящие автомобили, фото Роберта Янссона (7]; с — конструкции тоннеля Монблан после пожара 1999 г. [8]](/upload/medialibrary/bb0/wv157fk24p2owk6duvc257q609tgxfpl.png "Рис. 1. Последствия взрывообразного разрушения бетона: а — наружная стена здания, источник огня - воспламенившийся трактор; b — огневое взрывообразное разрушение бетонной крыши гаража, источник огня — горящие автомобили, фото Роберта Янссона (7]; с — конструкции тоннеля Монблан после пожара 1999 г. [8]")
Рис. 1. Последствия взрывообразного разрушения бетона: а — наружная стена здания, источник огня - воспламенившийся трактор; b — огневое взрывообразное разрушение бетонной крыши гаража, источник огня — горящие автомобили, фото Роберта Янссона (7]; с — конструкции тоннеля Монблан после пожара 1999 г. [8]
Процедуры обеспечения пожарной безопасности являются неотъемлемой частью процесса проектирования объектов гражданского и промышленного строительства. При осуществлении проектных расчетов используются актуальные справочные данные о стойкости известных видов строительных материалов к воздействию открытого огня и повышенной температуры. Однако модифицирование составов и свойств таких материалов может являться причиной изменения их поведения в условиях пожара. Так новые виды высокопрочных бетонов на основе портландцемента на практике проявили склонность к взрывообразному разрушению, существенно влияющему на достоверность результатов моделирования их стойкости при длительном и кратковременном воздействии повышенной температуры. В представленной работе изложен обзор и дана оценка текущему состоянию вопроса обеспечения пожарной безопасности конструкций из высокопрочных бетонов, предложены дополнительные мероприятия по совершенствованию действующих алгоритмов определения их огнестойкости.
В конце второго тысячелетия благодаря интенсивному развитию научных методов строительного материаловедения и прогрессивных разработок химической промышленности область конструкционных тяжелых бетонов за рубежом, а затем и на территории Российской Федерации была расширена высокопрочными цементными композитами с пределом прочности при сжатии более 60-80 МПа [1, 2]. В ходе изучения последствий ряда инцидентов, связанных с пожарами вблизи железобетонных конструкций, а также в результате научно-исследовательских работ было выявлено, что характер разрушения высокопрочного бетона при воздействии открытого огня отличается от механизма деструкции обычного тяжелого бетона. Различие выражается главным образом во взрывообразной потере целостности конструкций из высокопрочного бетона при резком нагреве во время пожара [3-6 и др.] (рис. 1).
Авторы научных работ преимущественно сходятся во мнении, что мгновенное разрушение высокопрочного бетона в виде взрыва происходит из-за значительного повышения давления испаряющейся воды в его поровой структуре при нагреве. Однако в отдельных литературных источниках выдвигается предположение [9-12], что высокое поровое давление является своеобразным спусковым крючком взрывного откола бетона при сочетании с высокими термическими напряжениями. Таким образом, механизм разрушения определяется двумя параллельно влияющими факторами — термомеханическим и термогидравлическим [6]. Термомеханический фактор учитывает наличие термических напряжений в бетоне, которые могут быть вызваны как градиентом температуры при неравномерном нагреве, так и воздействием внешних нагрузок, прикладываемых к расширяющемуся при нагревании бетону. Термогидравлический фактор связан с переносом водяного пара внутри пористой структуры бетона. С повышением температуры, при недостаточном объеме внутреннего порового пространства, сообщающегося с поверхностью, давление пара в порах резко увеличивается. Таким образом, в бетоне происходит рост внутренних напряжений, и если давление пара превышает прочность бетона при растяжении, происходит взрывное разрушение.
В пользу теории о первостепенности избыточного порового давления в явлении взрывообразного разрушения говорят результаты научно-исследовательских работ, проведенных Испытательным центром научно-исследовательского института «УралНИИстром». Целью исследования являлось определение показателей физико-механических характеристик высоко прочных бетонов класса по прочности В80 и выше в нагретом до 100-800°С состоянии. Перед испытанием предела прочности при сжатии образцы нагревали в муфельной печи до заданной температуры. В ходе подготовительных работ было обнаружено, что образцы, нагреваемые со скоростью 150°С/ч до температуры 380-410°С, разрушаются взрывообразно даже без приложения внешней механической нагрузки. Последовательный подбор режима нагрева, позволяющего обеспечить выдержку образцов при температуре выше 400°С без разрушения позволил установить оптимальную скорость подъема температуры — 30-50°С/ч (в зависимости от конечной температуры выдержки). Данный режим нагрева сопоставим с сушкой до постоянной массы. Также было установлено, что бетоны, подвергнутые нагреву по режиму сушки не разрушаются взрывообразно даже в момент приложения к ним сжимающей нагрузки и имеют предел прочности при сжатии до пяти раз ниже, чем в ненагретом стоянии (рис. 2).
Таким образом, при прочих равных условиях высокопрочные бетоны, обладающие даже естественной влажностью, без дополнительных мер защиты могут иметь склонность к взрывообразному разрушению в составе любых типов конструкций, независимо от наличия воздействующих на нее механических нагрузок.
В большинстве известных публикаций по тематике взрывообразного разрушения бетона рассматривается не только природа данного процесса, но и предлагаются способы снижения вероятности его протекания. Наиболее популярным способом является введение в состав бетона выгорающей полимерной фибры [3, 5, 8, 13]. Полимерное волокно повышает устойчивость высокопрочных бетонов к взрывообразному разрушению, главным образом за счет образования в бетоне каналов трубчатой структуры после плавления полипропиленового волокна при температуре 160°С. Образование разветвленной системы таких каналов в структуре бетона способствует снижению внутреннего давления пара, образующегося при испарении физически и адсорбционно связанной воды из цементного камня.
Помимо полимерной фибры, для снижения склонности бетона к взрывообразному разрушению и раскалыванию вследствие воздействия повышенной температуры в работе [14] предложено использование металлической фибры отдельно или совместно с полимерной. Результаты исследования показывают, что применение только стальной фибры практически не имеет положительного эффекта.
Использование только полимерной фибры позволяет практически избежать взрыва, а при совместном применении стальной и полимерной фибры, помимо повышения стойкости к растрескиванию и взрывообразному разрушению, композиты приобретают наибольшую прочность при сжатии. Широкое распространение такого метода увеличения огнезащитных свойств может способствовать не только повышению уровня безопасности сооружений и конструкций на основе высокопрочного бетона, но и оказывать положительное влияние на процессы рециклинга многотоннажных маловостребованных отходов. Например, существуют исследования, посвященные применению стальной и полимерной фибры, изготовленной из переработанных автомобильных покрышек, для эффективного повышения стойкости бетона к огневому взрывообразному разрушению [15].
Высокопрочные бетоны могут противостоять взрывообразному разрушению при нагреве и без модификаторов в виде стальной и полимерной фибры.
На стойкость материала влияет множество факторов — водоцементное отношение, отношение крупного заполнителя к вяжущему, влажность бетона, вид (микрокремнезем, зола-уноса, доменный гранулированный тонкомолотый шлак) и количество активных минеральных добавок, скорость нагрева бетона и т. д. При определенных комбинациях данных факторов можно достигнуть стойкой структуры высокопрочного бетона, способной выдержать внутренние напряжения, вызванные термофизическими и термогидравлическими процессами без потери целостности [14].
В каждом конкретном случае при проектировании состава бетона и железобетонных конструкций должны приниматься меры по обеспечению надлежащего уровня их пожарной безопасности. Согласно положениям Федерального закона No 123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» основными критериями обеспечения конструктивной пожарной безопасности являются три предела огнестойкости строительных конструкций: по потере несущей способности (R), потере теплоизолирующей способности (I) и потере целостности (Е). Согласно положениям закона N° 123-Ф3 необходимо выполнять проверку соответствия проектных конструктивных решений нормируемым пределам огнестойкости путем проведения огневых испытаний или апробированными расчетными методами. Методики расчета нормируемых критериев регламентирует СП 468.1325800.2019 «Бетонные и железобетонные конструкции. Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности». Однако, как отмечают авторы данного документа и предшествующего ему СТО 36554501-006-2006 «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железо-бетонных конструкций», ввиду пробелов в понимании поведения при пожаре относительно новых материалов, к которым относятся высокопрочные бетоны, на данный момент отсутствуют сведения о корректных коэффициентах условий их работы в данной среде. В работе [17] отмечено также, что согласно положениям технического кодекса Еврокод 2 (Проектирование ЖБК. Часть 1-2. Общие правила. Определение огнестойкости), высокопрочные бетоны подвержены интенсивному взрывообразному разрушению при пожаре и на данный момент установить пределы огнестойкости по целостности для конструкций на их основе расчетным методом не представляется возможным. Таким образом, можно сделать вывод, что проектирование зданий из высокопрочного бетона в части пожарной безопасности на данный момент осуществляется в большей степени формально.
В качестве методики для лабораторных испытаний пределов огнестойкости железобетонных конструкций чаще всего принимаются методы из
ГОСТ 30247.0-94 и ГОСТ 30247.0-91, разработанных для унифицированных серийных конструкций и малоприменимых для монолитного домостроения. Авторы работы [17] указывают на принципиальные отличия в конструктивных условиях работы сборных и монолитных железобетонных конструкций в условиях пожара и аргументированно делают вывод о несостоятельности данных методик для прогнозирования пределов огнестойкости конструкций, выполненных способом монолитного бетонирования.
С учетом неуклонно возрастающего темпа применения как монолитной технологии бетонирования, так и высокопрочных бетонов при возведении зданий и сооружений становится очевидно, что существующих на данный момент мер по обеспечению пожарной безопасности новых объектов строительства уже недостаточно [18]. В частности, проблема взрывообразного разрушения не рассматривается вкупе с возможностью потери целостности и несущей способности конструкции при пожаре, несмотря на важнейший аспект — угрозу жизни и здоровью эвакуирующихся из здания людей.
Представляется целесообразным разработать новую методику, позволяющую рассчитать и оценить параметры безопасности монолитной железобетонной конструкции по критерию наличия или отсутствия у бетона конструкции склонности к взрыву под воздействием повышенной температуры. Новая методика должна включать в себя обязательные лабораторные испытания склонности бетона к взрывообразному разрушению методами, доступными для воспроизведения в испытательных лабораториях бетона и железобетона. Наличие такой методики позволит осуществлять подбор состава высокопрочного бетона, обеспечивая, помимо требуемых в соответствии с заданием физико-механических характеристик, его стойкость к взрывообразному разрушению во время пожара.
Содержание проводимых испытаний должно принципиально отражать поведение образцов бетона естественной влажности, характерной для предусмотренной проектом среды эксплуатации, при нагреве со скоростью, соответствующей кривой пожара, как в условиях отсутствия внешней нагрузки, так и с учетом ее приложения. Например, в работе [15] для оценки влияния стальных и полипропиленовых волокон на снижение склонности бетонной конструкции к взрывообразному разрушению при пожаре использовали метод нагрева образца с площадью обогреваемой поверхности 500×200 мм трехсопловой паяльной лампой под воздействием сжимающей нагрузки (рис. 3).
![Рис. 3. Испытание на взрывообразное разрушение бетона при нагреве: а — испытательная установка; b — образцы после испытания и охлаждения [15].](/upload/medialibrary/253/cmgxjrmzeua94hcufol0yh11amklsoy8.png "Рис. 3. Испытание на взрывообразное разрушение бетона при нагреве: а — испытательная установка; b — образцы после испытания и охлаждения [15].")
Рис. 3. Испытание на взрывообразное разрушение бетона при нагреве: а — испытательная установка; b — образцы после испытания и охлаждения [15].
В качестве основы для разработки отечественной методики можно использовать метод испытаний, описанный в п. 6 ГОСТ Р 53295-2009 с некоторыми изменениями. За образец вместо стальной пластины размерами 600×600×5 мм, покрытой слоем огнезащиты, можно принять бетонную плиту с сечением 600×600 мм и толщиной не менее 100 мм. Критерием наличия у бетона стойкости к взрывообразному разрушению можно считать сохранение целостности образца по результатам испытаний (по отсутствию сквозных трещин, по потере массы, соответствующей показателю потери массы при прокаливании, и по другим признакам).
Специалисты научно-исследовательского института ООО «УралНИИстром» при подборе составов специальных видов бетонов применяют метод определения целостности бетона при длительном воздействии открытого огня на образцах-кубах размерами 15×15×15 см (рис. 4).
Данную схему испытаний на практике применяли для определения эксплуатационной стойкости бетона плит амбаров горизонтальных факельных установок. При проведении испытаний скорость подъема температуры на поверхности образцов контролируют с помощью инфракрасного пирометра.
При условии дополнительных исследований повторяемости результатов этого метода возможна его адаптация и внедрение в качестве стандартного испытания бетона на стойкость к взрывообразному разрушению при нагреве. Назначение режимов нагрева образцов бетона для данной методики рационально осуществлять, основываясь на стандартных температурных кривых пожара по ГОСТ Р ЕН 1363-2-2014. Разработанная методика, прошедшая процедуру адаптации и валидации, может быть задокументирована в форме государственного стандарта.
Для высокопрочных бетонов, наиболее склонных к взрывообразному разрушению при пожаре, целесообразно также внедрить показатель, характеризущий их способность сохранять целостность при нагреве по температурному режиму, соответствующему условиям пожара, и внести его в тексты нормативно-технических документов ГОСТ 7473-2010, ГОСТ 59714-2021, ГОСТ 26633-2015, ГОСТ 31914-2012 и ГОСТ 27006-2019.
Учитывая вышеизложенные недостатки существующих нормативных требований к проектированию в части пожарной безопасности зданий и сооружений, авторы считают необходимым инициировать процесс совершенствования нормативной базы, в основу которого будут заложены результаты исследований свойств и характера поведения высокопрочных бетонов в условиях пожара с учетом опасности их взрывообразного разрушения.
Список литературы
1. Neville A., Aitcin P.C. High performance concrete — An overview // Materials and structures. 1998. Vol. 31, pp. 111-117.2. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. М.: АСВ. 2006. 368 с.
3. Пушенко А.С., Азаров В.Н. Оценка влияния высоких температур пожара на свойства высокопрочного бетона / / Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура.
2007. No 7. C. 143-147.
4. Пушенко А.С. К вопросу о прочности высокопрочного бетона и железобетонных колонн при воздействии пожара // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2008. No 1 (9). C. 116-121.
5. Пухаренко Ю.В., Кострикин М.П. Стойкость фибробетона к высокотемпературному воздействию / Строительство и реконструкция. 2020. No 2. C. 96-106.
6. Hedayati M., Sofi M., Mendis P., Ngo T. A comprehensive review of spalling and fire performance of concrete members. Electronic journal of structural engineering. 2015. Vol. 15, pp. 8-34. DOI: 10.56748/ ejse.15199
7. Jansson R. Fire spalling of concrete: theoretical and experimental studies: Dis. ... PhD. Royal Institute of Technology. 2013. 154 p.
8. Кузнецова И.С., Рябченкова В.Г., Корнюшина М.П., Саврасов И.П., Востров М.С. Полипропиленовая фибра — эффективный способ борьбы со взрывообразным разрушением бетона при пожаре // Строительные материалы. 2018. No 11.
C. 15-20. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-765-11-15-20
9. Bazant Z. Analysis of pore pressure, thermal stress and fracture in rapidly heated concrete, international workshop on fire performance of high-strength concrete. Proceedings. Appendix B: Workshop Papers. 1997. B10, Gaithersburg, MD, (online), https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=916655 (Accessed January 30, 2024)
10. Bazant Z.P., Kaplan M.F. Concrete at high temperatures: material properties and mathematical models. Longman Group Limited. 1996. 410 p.
11. Bazant Z.P., Thonguthai W. Pore pressure in heated concrete walls: theoretical prediction. Magazine of Concrete Research. 1979. Vol. 31. Iss. 107, pp. 67-76.
https://doi.org/10.1680/macr.1979.31.107.67
12. Klingsch E.W. Explosive spalling of concrete in fire.
Report. ETHZurich. 2014. https://doi.org/10.3929/ethz-a-010243000
13. Новиков Н.С. Огнестойкость конструкций из фибробетона для автодорожных тоннелей и метрополитена: Дис. ... канд. техн. наук. М., 2019. 167 с.
14. Bei S., Zhixiang L. Investigation on spalling resistance of ultra-high-strength concrete under rapid heating and rapid cooling. Case Studies in Construction Materials. 2016. Vol. 4, pp. 146-153. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2016.04.001
15. Figueiredo F.P. Effects of recycled steel and polymer fibres on explosive fire spalling of concrete. Fire Technology. 2019. Vol. 55, pp. 1495-1516. https://doi.org/10.1007/s10694-019-00817-9
16. Tapeh A., Al-Bashiti M., Ghasemi A., Hostetter H., Craig D., Naser M.Z. A nomogram for predicting fire-induced spalling. Conference: The 12th International Conference on Structures in Fire (SiF 2022). Hong Kong. 2022.
17. Кузнецова И.С., Рябченкова В.Г. Противопожарные нормы — основа пожарной безопасности зданий и сооружений / / Промышленное и гражданское строительство. 2017. No 1. С. 35-39.
18. Ахтямов Р.Я., Ахмедьянов Р.М., Гамалий Е.А., Аверина Г.Ф. Актуальные проблемы развития нормативной базы производства и эксплуатации жаростойких бетонов // Строительные материалы. 2023. No 7. C. 4-11. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-815-7-4-11
Для цитирования: Ахтямов Р.Я., Ахмедьянов Р.М., Гамалий Е.А., Аверина Г.Ф. К вопросу обеспечения стойкости изделий и конструкций из высокопрочных бетонов к взрывообразному разрушению // Строительные материалы. 2024. Ne 1-2. C. 90-94. DOl: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-821-1-2-90-94